Đề tài Cảm biến lực (khối lượng) và encoder

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỀ TÀI: CẢM BIẾN LỰC (KHỐI LƯỢNG) VÀ ENCODER Thành viên nhóm : Phạm Minh Tuấn – DC12 Đặng Huy Nam – DC12 Võ Xuân Phố – DC12 Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2015 I. Giới thiệu về cảm biến lực (Khối lượng) và cách đo lực: 1. Định nghĩa: Lực là một đại lượng vecto, đặc trương cho tác dụng tương hỗ giữa các vật thể, làm cho các vật thế biến dạng hay vận động Khối lượng là số lượng vật chất và người ta có thể định nghĩa lực là lực hấp dẫn giữa các khối lượng. Trọng lượng của một vật là lực hút của trái đất tác dụng lên nó. 2. Nguyên tắc đo lực. Lực được xác định từ công thức cơ bản của định luật II Newton: F= k.M.a Trong đó : M là khối lượng (kg) chịu tác dụng của lực F(N) gây nên 1 gia tốc a(m/s²). K là hệ số phụ thuộc vào đơn vị dùng. Trọng lực: được xác định theo công thức: P=k.M.g Trong đó: M là khối lượng của vật đó(kg). a là gia tốc trọng trường nơi đặt vật(m/s²). k làhệ số phụ thuộc vào đơn vị dùng. Đối với phép đo lực, ta có thể thực hiện đo bằng cách sử dụng 1 lực đối kháng sao cho lực tổng cộng và moment đối kháng bằng 0. Khi đó cảm biến cần có 1 vật trung gian chịu tác động của lực cần đo và bị biến dạng, biến dạng này do lực đối kháng gây ra. 3. Khái niệm về cảm biến lực, khối lượng (Loadcell). -Loadcell là một cảm biến lực (khối lượng hoặc mô men xoắn).Khi một lực tác dụng lên loadcell, nó sẽ chuyển đổi các lực tác dụng thành tín hiệu điện tử.Các thiết bị như màn hình hiễn thị, máy tính hoặc các thiết bị đo lường khác là rất cần thiết dùng để hiễn thị và xử lý các tín hiệu điện tử. Các giá trị xuất ra sau đó có thể được lưu lại trong một cơ sở dữ liệu hoặc có thể in ấn và tổ chức , sắp xếp lại bằng nhiều cách khác nhau. Tín hiệu điện tử ngõ ra của loadcell có thể là một sự thay đổi điện áp, thay đổi tín hiệu dòng, tín hiệu số hay thay đổi tần số tùy thuộc vào loại loadcell và mạch sử dụng. Phổ biến nhất hiện nay là loadcell thay đổi điện áp. Các loadcell có thể sử dụng điện trở (strain gauge), điện dung, kỹ thuật bù lực điện cực. Phổ biến nhất là các loadcell có sẵn dựa trên nguyên tắc thay đổi điện trở để đáp ứng với 1 tải ứng dụng. Vì thế ở đây, ta sẽ nói về loadcell thay đổi điện trở (strain gauge). Các loadcell thường được biết đến như “ đầu dò tải(load transducer) bởi vì nó cũng có thể chuyển đổi một tải trọng (lực tác dụng) thành tín hiệu điện. loadcell được định nghĩa là một “thiết bị đo trọng lượng cần thiết cho hiển thị trọng lượng bằng chữ số” 4. Cấu tạo: Bộ phận chính của loadcell là những tấm điện trở strain gauge mỏng loại dán (còn gọi là cầu wheatstone), cầu wheatstone bao gồm 4 cảm biến điện trở strain gauge, 2 cảm biến được dán ở mặt trên và 2 cảm biến được dán ở mặt dưới. Trường hợp 1: thay đổi 1 điện trở thành một strain gauge: V0 = ( R3R3+R4 – R2R1+R2 ). Vex VoVex = - GF.Ɛ4 .( 11+GF.Ɛ2 ) Hệ số gauge (GF) GF = △R/R△L/L = △R/RƐ △R = RG.GF.Ɛ Với RG : là điện trở danh nghĩa của strain gauge Ɛ : độ căng GF : độ nhạy của strain gauge (hệ số gauge) Trường hợp 2: Thay đổi 2 điện trở thành 2 strain gauge Trường hợp 3: Thay đổi 4 điện trở thành 4 strain gauge Strain gauge gồm một sợi dây kim loại mảnh đặt trên một tấm cách điện đàn hồi. Tấm điện trở là một phương tiện để biến đổi một biến dạng nhỏ thành sự thay đổi tương ứng trong điện trở. Một mạch đo dùng các miếng biến dạng sẽ cho phép thu được một tín hiệu điện tỉ lệ với mức độ thay đổi của điện trở. Mạch thông dụng nhất sử dụng trong loadcell là cầu Wheatstone. Để tăng chiều dài dây dẫn điện trở strain gauge, người ta đặt chúng theo hình ziczac, mục đích là để tăng độ biến dạng khi lực tác dụng qua đó tăng độ chính xác của thiết bị cảm biến sử dụng strain gauge. Trong đó: R= Điện trở strain gauge (Ohm) L  = Chiều dài của sợi kim loại strain gauge (m) S  =  Tiết diện của sợi kim loại strain gauge (m2) r=  Điện trở suất vật liệu của sợi kim loại strain gauge Khi dây kim loại bị lực tác động sẽ thay đổi điện trở Khi dây bị lực nén, chiều dài strain gauge giảm, điện trở sẽ giảm xuống. Khi dây bi kéo dãn, chiều dài strain gauge tăng, điện trở sẽ tăng lên Điện trở thay đổi tỷ lệ với lực tác động. Lực kế điện trở ở dạng thanh Ɛ a =PA.E Ɛb =-v.PA.E Với : A là diện tích mặt cắt ngang của phân tử đàn hồi . E là mô đun đàn hồi của vật liệu phần tử đần hồi. P là hệ số poisson . Một số loại loadcell thông dụng: 5. Nguyên lý: Loadcell gồm các điện trở strain gauge R1, R2, R3, R4 kết nối lại thành 1 cầu điện trở Wheatstone như hình bên dưới và được dán vào phần thân của loadcell. Một điện áp kích thích được cung cấp cho ngõ vào loadcell (2 góc (2) và (3) của cầu điện trở Wheatstone) và điện áp tín hiệu ra được đo giữa hai góc khác.   Tại trạng thái cân bằng (trạng thái không tải), điện áp tín hiệu ra là số không hoặc gần bằng không khi bốn điện trở được gắn phù hợp về giá trị.  Đó là lý do tại sao cầu điện trở Wheatstone còn được gọi là một mạch cầu cân bằng.  a.Đo điện trở dùng cầu Wheatstone cân bằng Cầu Wheatstone được mắc như hình vẽ . Trong đó R1 , R2 , R3 là các điện trở mẫu G là điện kế chỉ thị 0 RX là điện trở cần đo Vận hành Ta chỉnh các giá trị điện trở R1 , R2 , R3 cho đến khi điện kế G chỉ zero . Khi cầu cân bằng , dòng điện qua điện kế G bằng không ( zero ) nghĩa là UC = UA. Hay UR1 = UR2 và URX = UR3 I1 R1 = I2 R2 và I1 RX = I2 R3 Suy ra : R1Rx = R2R3 => Rx = R1.R3R2 Với phương pháp đo này RX sẽ được so sánh với các điện trở mẫu Ta nhận thấy , kết quả đo điện trở RX không phụ thuộc vào nguồn cung cấp cho mạch điện , đây là ưu điểm của cầu đo Wheatstone . Tuy nhiên phương pháp thao tác phức tạp vì phải điều chỉnh các điện trở mẫu nhiều lần và giá trị điện trở cần đo RX lại phụ thuộc vào độ nhạy của điện kế G , độ nhạy của điện kế G càng cao thì sự xác định cân bằng càng đúngvà phụ thuộc vào dây nối và điện trở tiếp xúc ở các mối nối . Ngoài ra sai số của các điện trở mẫu cũng ảnh hưởng đến sai số của RX , chẳng hạn , nếu sai số của các điện trở lần lượt là DR1 = DR2 = ± 0.5% , DR3 = ± 10% thì sai số của điện trở khi đo là DR = SR1,2,3 = DR1 + DR2 + DR3 = 0.5% + 1% + 1% = ± 2.5% Với điện trở bất kỳ RX , để cầu wheatstone cân bằng , ta thay đổi tỷ số giữa R1/ R2 và thay đổi giá trị điện trở R3 , điện trở R3 có giá trị thay đổi từng cấp , mỗi cấp có giá trị 0.1 b.Đo điện trở dùng cầu Wheatstone không cân bằng Trong công nghiệp , người ta thường dùng nguyên lý cầu Wheatstone không cân bằng nghĩa là căn cứ vào điện áp ra hay dòng điện ra ở ngõ ra của cầu Wheatstone để đo điện từ hay sai số (R của phần tử đo . Phương pháp này cần có nguồn cung cấp ổn định vì điện áp ra phụ thuộc vào nguồn cung cấp E , ngoài ra sai số còn phụ thuộc vào các điện trở mẫu thành phần của cầu Wheatstone . Còn độ nhạy của cầu lại phụ vào nguồn cung cấp E và nội trở của bộ chỉ thị. Khi tháo điện kế G ra khỏi mạch , ta có Tổng trở được xác định RS = ( R1 // RX ) + ( R2 // R3 ) Điện áp ở ngõ ra của cầu: Ua – Uc = E.( RxRx+R1 – R2R2+R3 ) Vậy khi có tải trọng hoặc lực tác động lên thân của loadcell, thì loadcell sẽ bị biến dạng (giãn hoặc nén) điều này kéo theo sự thay đổi chiều dài và tiết diện của các sợi kim loại của điện trở strain gauge dán trên thân loadcell dẫn đến sự thay đổi giá trị của các điện trở strain gauge. Sự thay đổi này làm thay đổi điện áp đầu ra. Sự thay đổi điện áp này là rất nhỏ, do đó chỉ có thể được đo và chuyển thành số sau khi qua bộ khuếch đại của các bộ chỉ thị của can điện tử 6. Thông số kĩ thuật cơ bản - Độ chính xác: cho biết phần trăm chính xác trong phép đo. Độ chính xác phụ thuộc tính chất phi tuyến tính, độ trễ, độ lặp. - Công suất định mức: giá trị khối lượng lớn nhất mà Loadcell có thể đo được. - Dải bù nhiệt độ: là khoảng nhiệt độ mà đầu ra Loadcell được bù vào, nếu nằm ngoài khoảng này, đầu ra không được đảm bảo thực hiện theo đúng chi tiết kĩ thuật được đưa ra. - Cấp bảo vệ: được đánh giá theo thang đo IP, (ví dụ: IP65: chống được độ ẩm và bụi). - Điện áp: giá trị điện áp làm việc của Loadcell (thông thường đưa ra giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất 5 - 15 V). - Độ trễ:hiện tượng trễ khi hiển thị kết quả dẫn tới sai số trong kết quả. Thường được đưa ra dưới dạng % của tải trọng. - Trở kháng đầu vào: trở kháng được xác định thông qua S- và S+ khi Loadcell chưa kết nối vào hệ thống hoặc ở chế độ không tải. - Điện trở cách điện: thông thường đo tại dòng DC 50V. Giá trị cách điện giữa lớp vỏ kim loại của Loadcell và thiết bị kết nối dòng điện. - Phá hủy cơ học: giá trị tải trọng mà Loadcell có thể bị phá vỡ hoặc biến dạng. - Giá trị ra: kết quả đo được (đơn vị: mV). - Trở kháng đầu ra: cho dưới dạng trở kháng được đo giữa Ex+ và EX- trong điều kiện load cell chưa kết nối hoặc hoạt động ở chế độ không tải. - Quá tải an toàn: là công suất mà Loadcell có thể vượt quá (ví dụ: 125% công suất). - Hệ số tác động của nhiệt độ: Đại lượng được đo ở chế độ có tải, là sự thay đổi công suất của Loadcell dưới sự thay đổi nhiệt độ, (ví dụ: 0.01%/10°C nghĩa là nếu nhiệt dộ tăng thêm 10°C thì công suất đầy tải của Loadcell tăng thêm 0.01%). - Hệ số tác động của nhiệt độ tại điểm 0: giống như trên nhưng đo ở chế độ không tải. Loadcell có 4 dạng chính là: Loadcell dạng thanh (kéo căng, nén) Load cell dạng trụ (nén) Loadcell dạng chữ S (kéo căng, nén) Loadcell dạng trụ dẹt (nén) Với loadcell dạng thanh (hay gọi là loadcell điểm đơn)  thường được sử dụng cho các dạng cân bình thường (có kích thước vừa và nhỏ) . Điểm đặt tải của các loadcell điểm đơn , được đặt ở tâm của mặt bàn cân. Với các hệ thống cân công nghiệp như hệ thống cân bồn, hệ thống cân phễu,  loadcell dạng thanh và loadcell dạng trụ thường được sử dụng. Có thể sử dụng một hoặc nhiều loadcell, nhưng nếu sử dụng nhiều loadcell, tải trọng được phân bố vào từng loadcell đều hơn, nên độ chính xác sẽ cao hơn. Loại này có phạm vi thay đổi lớn , bằng cách thay đổi đường kính D hay chiều dài t hay chiều rộng w Nguyên lý hoạt động cũng dự vào sự hoạt động của các biến trở, dẫn đến tín hiệu ra có quan hệ tuyến tính với lực cần đo. Loadcell chữ “S” thường được sử dụng cho các máy đo lực. Cách sử dụng loadcell: Loadcell thông thường và được sử dụng phổ biến ở Việt Nam có 5 dây. Các loại cáp đầu ra của một loadcell bao gồm 2 dây nguồn (+ / -), hai dây tín hiệu (+ / -), và một dây max. -Để giảm bớt nguy cơ bị lỗi, đôi khi người ta sử dụng  7 dây, với 2 dây cảm biến bổ sung -Trong hướng dẫn sử dụng  hoặc thông số  của loadcell, có mô tả chi tiết các loại dây và màu sắc của chúng. Thường hai dây nguồn là màu đỏ và đen, hai dây tín hiệu là xanh và trắng. Đọc hướng dẫn sử dụng của đầu cân và hàn jack theo đúng sơ đồ chân kết nối. Lưu ý, mỗi hãng cân điện tử sử dụng một phương thức kết nối riêng, vì vậy cần đọc kỹ các hướng dẫn để thực hiện. Sau khi hàn jack và kết nối với đầu cân , bắt buộc phải calibration ( hiệu chỉnh) lại loadcell để đảm bảo tính chính xác. 6/ Ứng dụng của thiết bị Một ứng dụng khá phổ biến thường thấy của Loadcell là được sử dụng trong các loại cân điện tử hiện nay. Từ ứng dụng trong những chiếc cân kĩ thuật đòi hỏi độ chính xác cao cho tới những chiếc cân có trọng tải lớn trong công nghiệp như cân xe tải. Một số ứng dụng khác: - Trong ngành công nghệ cao: Với nền khoa học kĩ thuật tiên tiến hiện nay thì loại Loadcell cỡ nhỏ cũng được cảitiến công nghệ và tính ứng dụng cao hơn. Phân phối đều trọng lượng trong công nghiệp: Công nghệ sử dụng: Các thế bào tải(Loadcell LSB and LCF Series) kết hợp với các thiết bị định hướng và thu thập dữ liệu qua máy tính hoặc PLC Sơ lược hoạt động: Các load cell được thiết kế để phù hợp với các ứng dụng tự động hóa trong công nghiệp để phân phối đều trọng lượng sản phẩm. Như thể hiện trong sơ đồ dưới đây, Loadcell được lắp đặt trong dây chuyền tự động hóa, giám sát việc phân phối khối lượng vào từng bao bì một cách chính xác. Hệ thống hoạt động: + Một tế bào tải được kết nối với thiết bị đo cần thiết. + Khi khối lượng sản phẩm cho phân phối vào thùng đủ yêu cầu, Loadcell sẽ phát ra tín hiệu tới bộ diều khiển băng tải để băng tải ngừng làm việc. + Tín hiệu khi băng tải dừng được truyền đến hệ thống phân phối thùng chứa để xuất thùng chứa. + Khi thùng chứa được phân phối sẽ phát ra tín hiệu để hệ thống phân phối sản phẩm tiếp tục hoạt động. - Ứng dụng trong cầu đường Các Loadcell được sử dụng trong việc cảnh báo độ an toàn cầu treo. Loadcell được lắp đặt trên các dây cáp để đo sức căng của cáp treo và sức ép chân cầu trong các điều kiện giao thông và thời tiết khác nhau. Các dữ liệu thu được sẽ được gửi đến một hệ thống thu thập và xử lí số liệu. sau đó số liệu sẽ được xuất ra qua thiết bị truy xuất như điện thoại, máy tính, LCD. Từ đó có sự cảnh báo về độ an toàn của cầu. Từ đó tìm ra các biện pháp cần thiết để sửa chữa kịp thời. II. Giới thiệu về Encoder: Định nghĩa, phân loại và ứng dụng của Encoder: Định nghĩa: -Encoder dạng chuyển động quay (rotary encoder) còn được gọi là shaft encoder là thiết bị điện cơ dùng biến đổi các vị trí góc của trục quay từ giá trị analog (tương tự) sang mã digital (số). - Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay, đĩa quay có thể là bánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc Phân loại: - Encoder được chia làm 2 loại: encoder tuyệt đối (absolute encoder) và encoder tương đối (incremental encoder.) Ứng dụng: Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay, đĩa quay có thể là bánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc để cảm biến vị trí, tốc độ của đông cơ - Ứng dụng của encoder quay: + Trên máy công nghệ cao encoder được trang bị để đo và tìm được chính xác vị trí của các trục máy cũng như vị trí dao cắt. Nhờ đó quá trình gia công được thực hiện chính xác. Kết quả encoder đo được sẽ gửi về bộ phận kiểm tra tích cực trên máy để điều chỉnh lại vị trí chi tiết hay vị trí của dao cắt nhằm sữa chữa lỗi và hạn chế được phế phẩm. + Encoder còn được trang bị trên động cơ của thang máy để biết được chính xác vị trí của thang máy. Đảm bảo được thang máy sẽ dừng ở đúng cửa ra vào. + Trên các rô bốt công nghiệp encoder không thể thiếu. Nó dùng để quản lý các cử động của các khớp nối, cử động của cánh tay rô bốt để đảm bảo chính sác vị trí của các cử động. + Trong các cuộc thi robocon. Tín hiệu gởi về của encoder giúpta biết được vị trí của robocon trên sân đấu. Ở các khúc cua thì vận tốc của 2 bánh xe phải và bánh xe trái sẽ không giống nhau. Nhờ có encoder mà ta có thể tính toán và lập trình được số vòng quay của 2 bánh xe ở các khúc cua. + Ứng dụng rỗng rãi trong nhiều lĩnh vưc:Robot, máy công cụ,hàng không vũ trụ... Ứng dụng trong dây chuyền sản xuất: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của từng loại Encoder: àNguyên lý hoạt động cơ bản của encoder: Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục. Trên đĩa có các lỗ (rãnh). Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led sẽ chiếu xuyên qua. Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu. Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không. Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con mắt thu nhận được tín hiệu đèn led, thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng. Đây là nguyên lý rất cơ bản của encoder. Tuy nhiên, những vấn đề được đặt ra là, làm sao để xác định chính xác hơn vị trí của đĩa quay (mịn hơn) và làm thế nào để xác định được đĩa đang quay theo chiều nào? Đó chính là vấn đề để chúng ta tìm hiểu về encoder. Encoder tuyệt đối (absolute encoder) : Encoder tuyệt đối là thiết bị chuyển đổi, áp dụng kỹ thuật số để tạo ra một mã bằng số số tương ứng với mỗi góc quay của một trục. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: + Một đĩa quay được mã hóa theo các rãnh đồng tâm. + Đầu đọc: gồm các tia sáng và các tế bào quang điện. Mỗi tia sáng riêng biệt được chiếu đến từng rãnh cho từng tế bào quang điện. Mỗi tế bào quang điện đưa ra 1 bít cho đầu ra số. + Ba bộ phận quan trọng nhất cấu thành encoder tuyệt đối là đèn LED, đĩa mã hóa và các photosensor. Ánh sáng được chiếu từ đèn LED qua đĩa mã hóa đến các photosensor. Số đèn LED bằng với số dải băng (hay còn gọi là vòng lỗ) trên đĩa mã hóa và cũng bằng với số photosensor ( hoặc cũng có thể dùng một đèn LED nhưng công suất của đèn này phải lớn, ánh sáng của nó phải chiếu phủ hết các dải băng trên đĩa mã hóa). + Trên encoder, đèn LED, dải băng và photosensor phải sắp xếp nằm trên một đường thẳng. Đèn LED và photosensor được gắn cố định trên vỏ encoder. Còn đĩa mã hóa thì quay quanh trục mang các tín hiệu mã hóa nhằm xác định góc quay. Khi ánh sáng từ nguồn sáng chiếu tới đĩa mã hóa, nếu đối diện với tia sáng là vùng diện tích trong suốt, ánh sáng xuyên qua đĩa đến photosensor làm xuất hiện dòng chảy qua photosensor ( lúc này photosensor này nhận được tín hiệu 1 trong mã nhị phân). Nếu đối diện với tia sáng là vùng diện tích bị phủ lớp chắn sáng, ánh sáng không đến được photosensor (lúc này photosensor này nhận được tín hiệu 0 trong mã nhị phân). + Quay lại bài toán cơ bản về bit và số bit, chúng ta xem xét vấn đề theo một cách hoàn toàn toán học: Với một số nhị phân có 2 chữ số. 0 0 0 1 1 0 1 1 Chúng ta có bảng: . Điều đó có nghĩa là với 2 chữ số, chúng ta có thể chia đĩa encoder thành 4 phần bằng nhau. Và khi quay, chúng ta sẽ xác định được độ chính xác đến 1/4 vòng.Tương tự vậy, nếu với một số có n chữ số, chúng ta sẽ xác định được độ chính xác đến 1/(2^n) vòng. + ví dụ với đĩa encoder có 2 vòng lỗ (2 dải băng, ở vòng trong cùng, có một rãnh rộng bằng 1/2 đĩa. Vòng phía ngoài, sẽ có 2 rãnh nằm đối diện nhau. Như vậy, chúng ta cần 2 đèn led để phát xuyên qua 2 vòng lỗ, và 2 đèn thu ( photosensor ). Giả sử ở vòng lỗ thứ nhất (trong cùng), đèn đọc đang nằm ở vị trí có lỗ hở, thì tín hiệu nhận được từ con mắt thu sẽ là 1. Và ở vòng lỗ thứ hai, thì chúng ta đang ở vị trí không có lỗ, như vậy con mắt thu vòng 2 sẽ đọc được giá trị 0. Để thiết kế encoder tuyệt đối, người ta luôn vẽ sao cho bit thứ N (đối với encoder có N vòng lỗ) nằm ở ngoài cùng, có nghĩa là lỗ lớn nhất có góc rộng 180 độ, nằm trong cùng. Bởi vì chúng ta thấy rằng, bit 0 (nếu xem là số nhị phân) sẽ thay đổi liên tục mỗi 1/2^N vòng quay. Vì thế chúng ta cần rất nhiều lỗ. Nếu đặt ở trong thì không thể nào vẽ được vì ở trong bán kính nhỏ hơn. Ngoài ra, nếu đặt ở trong thì về kết cấu cơ khí, nó quá gần trục và quá. Với encoder có 8 vòng lỗ ta sẽ quản lý được 1/2^8 của đĩa (tức là quản lý được 1/256 của đĩa, tương đương với góc 360/256=1,4 độ). Vậy với encoder 8 vòng lỗ này ta sẽ biết được góc quay của đĩa với độ chính sác là 1,4 độ. - Để giảm sai số cho Encoder tuyệt đối ta dùng mà Grey vì mã Grey chỉ có 1 bit thay đổi. Ưu nhược điểm của Encoder tuyệt đối - Ưu điểm: +Giá trị số hóa cho các vị trí. +Vị trí tuyệt đối có thể nhận được tại mọi thời điểm. - Khuyết điểm: + Nhiều tín hiệu ra + Giá thành cao so với Inc. Encoder + Số bit liên quan tới giá thành và độ phân giải Encoder tương đối (incremental encoder): Sơ đồ nguyên lý, kết cấu: Encoder tương đối kiểu quay Về cơ bản thì encoder tương đối và encoder tuyệt đối đều giống nhau chỉ khác nhau ở đĩa mã hóa. Ở encoder tương đối đĩa mã hóa gồm 1 dải băng tạo xung. Trên dải băng này được chia ra làm nhiều lỗ bằng nhau và cách đều nhau (lỗ có thể được thây bằng vật liệu trong suốt cho ánh sáng truyền qua). Khi đĩa từ quay qua một lỗ thì photosensor nhận được tín hiệu từ đèn LED chiếu qua thì encoder sẽ tăng lên một giá trị trong biến đếm. Chẳng hạn như với đĩa mã hóa gồm 360 lỗ, khi đĩa quay qua 90 lỗ thì photosensor nhận được 90 lần tín hiệu do đó biến đếm sẽ tăng lên 90.Từ đó ta biết được đĩa đã quay được một góc là 90 độ. Tuy nhiên, một vấn đề là làm sao để biết được encoder quay hết một vòng? Nếu cứ đếm vô hạn như thế này thì chúng ta không thể biết được khi nào nó quay hết một vòng. Chưa kể, mỗi lần có những rung động nào đó mà ta không quản lý được, encoder sẽ bị sai một xung. Khi đó, nếu hoạt động lâu dài, sai số này sẽ tích lũy. Ngày hôm nay sai một xung, ngày hôm sau sai một xung. Đến cuối cùng, có thể động cơ quay 2 vòng rồi mà chúng ta mới đếm được 1 vòng.Vì vậy lỗ định vị trên encoder tương đối kiểu quay Để tránh điều tai hại này xảy ra, người ta đưa vào thêm một lỗ định vị để đếm số vòng đã quay của encoder. Như vậy, cho dù có lệch xung, mà chúng ta thấy rằng encoder đi ngang qua lỗ định vị này, thì chúng ta sẽ biết là encoder đã bị đếm sai ở đâu đó. Nếu vì một rung động nào đó mà chúng ta không thấy encoder đi qua lỗ định vị, vậy thì từ số xung và việc đi qua lỗ định vị, chúng ta sẽ biết rõ hiện tượng sai của encoder. Nguyên lý hoạt động: Nguyên lý hoạt động encoder tương đối kiểu quay Encoder tương đối cũng gồm các bộ phận cơ bản là nguồn phát( đèn LED), đĩa quay( đĩa mã hóa), cảm biến (photosensor). Khi đĩa quay qua một lỗ thì cảm biến trên nhận được tín hiệu lúcđó encoder sẽ tăng lên một giá trị trong biến đếm. Cho đến khi cảm biến bên dưới nhận được tín hiệu thông qua lỗ định vị thì ta biết được đĩa đã quay song một vòng. Giá trị biến đếm mà encoder nhận được sẽ cho ta biết được góc độ mà đĩa đã quay. Ứng với dải băng có càng nhiều lỗ thì góc đếm nhỏ nhất mà encoder đếm được sẽ càng nhỏ (càng mịn). - Cấu trúc của Encoder tương đối: Các tín hiệu ra: A, B, Z. Các xung A và B: Có nhiều độ phân giải khác nhau cho mỗi vòng quay. Xung Z: Đưa ra một xung cho mỗi vòng quay. Các loại Encoder tương đối: Encoder 1 kênh: + Sử dụng 2 cặp thu phát quang: 1 cặp đếm xung và 1cặp xác định điểm chuẩn. + Vị trí xác định dựa vào số xung đếm được. Mỗi xung ứng với 1 góc cho trước. + không xác đinh đươc hướng quay. Encoder tương đối 2 kênh: + Thường có kênh A(V1); kênh B(V2); kênh Z (điểm chuẩn). + kênh B được đặt lệch so với kênh A (lệch M+0.5 rảnh) Hình ảnh minh họa: Giải thích hình vẽ: CCW: khi V2 chuyển từ 1 xuống 0 mà V1 ở mức cao thì Encoder quay ngược chiều kim đồng hồ. CW: khi V2 chuyển từ 1xuống 0 mà V1 ở mức thấp thì quay cùng chiều kim đồng hồ. - Ta có thể dùng D-FlipFlop để xác định chiều quay của Encoder: Chiều quay thuận: Nếu A sớm pha 900 so với B thì ngõ ra của D-FlipFlop là “1”. Chiều quay nghịch: B sớm pha 900 so với A thì ngõ ra của D F/F là “0”. B. Bài tập: Bài tập 1: 4 strain gauges giống nhau được được tổ hợp thành một cầu Wheatstone, nhưng chỉ có 1 strain gauge tích cực, đều có GF = 2.1 và điện trở danh định 120Ω. Điện áp cung cấp cho cầu là 10V. Tính độ căng khi điện áp ra của cầu là 20mV Giải: Trường hợp thay đổi một điện trở thành 1 strain gauge: Ta có: VoVex = R3R3+R4 – R2R1+R2 Với : R1 = R2  R3 = RG  R4 = RG + △R △R = RG.GF.Ɛ Suy ra : VoVex = Rg2Rg+△R - R22R2 ó VoVex = Rg2Rg+Rg.GF.Ɛ - 12 ó VoVex = - GF.Ɛ4 .( 11+GF.Ɛ2 ) ó 2010 = - 2,1.Ɛ4 . (11+2,1.Ɛ2) Suy ra: độ căng khi điện áp ngõ ra là 20 mV là: Ɛ= -0,76 Bài 2 : Một strain gauge có Gauge factor = 3, điện trở danh định 1kΩ, có GF= 2,1 được gắn trên đỉnh của một thanh nhôm chữ nhật 10cm dài x 2cm dày x 4cm rộng. Strain gauge được nối với một cầu Wheatstone gồm các điện trở 1kΩ. Thanh nhôm được cố định một đầu như hình, tải trọng được đặt lên đầu kia của thanh nhôm. Cho biết modun đàn hồi E = 73.1 GPa. 1/ Tính điện trở của strain gauge khi tải trọng 1kg được đặt vào? 2/ Cầu Wheatstone được nối nguồn Vin = 5V. Tính điện áp ngõ ra của cầu? Giải: Ta có: Ɛ = σE ; mà σ = FA Với F = m.g = 1. 9,8 = 9,8 (N) A = 0,1 x 0,02 x 0,04 = 0,00008 (m3) Suy ra: σ = 9,80.00008 = 122500 Vậy độ cứng của thanh: Ɛ = 12250073,1 = 1675 a/Khi có tải trọng 1kg được đặt vào thì: △R = RG.GF.Ɛ = 1000 x 2,1 x 1675 = 4020000 (Ω) Suy ra : điện trở của strain gauge khi tải trọng 1kg được đặt vào R = △R + RG = 1000+4020000 = 4,012 ( MΩ) b/ Cầu Wheatstone được nối nguồn Vin = 5V ta có: : VoVi = Rg2Rg+△R - R22R2 ó VoVex = - GF.Ɛ4 .( 11+GF.Ɛ2 ) Vout5 = - 2,1 .16754 . (11+2,1 . 16752) Vout = -2,5 (V)